CN107904656A - 一种蓝宝石单晶炉底部加热器及单晶炉 - Google Patents

一种蓝宝石单晶炉底部加热器及单晶炉 Download PDF

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大卫·肯尼斯·李斯
毛瑞川
张小潞
张熠
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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石单晶炉底部加热器，包括发热体，发热体包含外层段、自外层段弯折处向内弯折的中层段、自中层段弯折处向内弯折的内层段，自外向内的每一段加热器部分的长度逐渐缩短且横截面积逐渐增大，在加热器通电的电流恒定情况下，发热体由外向内的发热量逐层降低，梯度更符合单晶炉中的晶体生长需要，发热体发热稳定性好。本发明还提供了使用蓝宝石单晶炉底部加热器的单晶炉。

Description

一种蓝宝石单晶炉底部加热器及单晶炉
技术领域
本发明涉及到蓝宝石单晶炉领域。
背景技术
蓝宝石单晶具有优异的光学性能，机械强度高，化学性能稳定，强度高、硬度大、耐冲刷，可以在接近2000℃的高温恶劣环境下工作，因而被广泛应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料：其独特的晶格结构，优异的力学性能和良好的热稳定性，使高完整性、低缺陷C面取向的蓝宝石单晶成为实际应用的LED和LD发光二极管半导体工业最为理想的衬底材料。
高品质的蓝宝石晶体需要一个较好且稳定的轴向梯度和径向梯度。发热体的结构设计的主要标准是否能满足热量且构建出稳定的横向与径向梯度。目前，蓝宝石单晶炉的底部加热器存主要通过钨杆折弯而成，具体结构有两种型式：第一种如图1及图2所示，为将钨杆1折弯成U型并连接有铜电极2，U型钨杆竖直部分对坩埚侧部进行加热，U型钨杆横杆部分在坩埚底部纵横交错，对坩埚底部进行加热。第二种如图3及图4所示，采用L型钨杆3并连接有铜电极1，在第一种结构型式的基础上增加集电环2，L型钨杆连接到集电环2上，L型钨杆3的一侧对坩埚侧部进行加热，L型钨杆3的另外一侧成放射状无交错的分布在集电环2周围。
现有结构存在以下缺点：发热体采用金属钨材料，高温刚度差，易发生变形，无法通过结构设计提高发热体阻值，且材料高温后极易吸附其他物质导致自身电阻衰减，稳定性差；
由于侧部发热体与底部发热体为合二为一，功率无法单独调整，轴向温梯固定，随着使用炉次的增加，由于重力原因，底部钨杆会下沉，导致发热体与坩埚辐射角度发生变化，以及在发热体使用过程中，底部钨杆阻值衰减较侧部钨杆严重的多，导致轴向温梯发生变化，影响晶体质量。
由于物理结构问题，现有发热体底部发热部分均存在越靠近中心，钨杆分布越密集，发热量越大的情况，这与蓝宝石长晶所需径向温度梯度方向相反，容易导致长晶后后期固液界面翻转，从而产生中心气泡。甚至会导致长晶后期坩埚侧部先结晶，导致晶体无法与坩埚脱离，进而导致晶体开裂。
故需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蓝宝石单晶炉底部加热器，能够解决现有发热体轴向、径向温度梯度的不可控的问题。
本发明同时提供一种使用上述加热器的单晶炉。
为达到上述目的，本发明蓝宝石单晶炉底部加热器可采用如下技术方案：
一种蓝宝石单晶炉底部加热器，包括发热体，所述发热体为带状结构，且发热体包含外层段、自外层段弯折处向内弯折的中层段、自中层段弯折处向内弯折的内层段；所述外层段的长度大于中层段的长度；中层段的长度大于内层段的长度；所述外层段的横截面积小于中层段的横截面积、中层段的的横截面积小于内层段的横截面积。
有益效果：本发明的加热器采用带状结构，能够增大发热体电阻，降低使用电流，提高发热体效率。加热器中分成三层，即外层段、中层段、内层段，自外向内的每一段加热器部分的长度逐渐缩短且横截面积逐渐增大，在相同材质下即可知每一段加热器部分的电阻自外向内逐渐减小，在加热器通电的电流恒定情况下，则可知发热体能量密度由外向内逐渐减小，发热体由外向内的发热量逐层降低，梯度更符合单晶炉中的晶体生长需要，发热体发热稳定性好。
本发明还提供了使用蓝宝石单晶炉底部加热器的单晶炉。
附图说明
图1为现有技术中一种U型发热器与坩埚配合的示意图。
图2为图1中发热体底部排布形式。
图3为现有技术中另一种L型发热器与坩埚配合的示意图。
图4为图3中发热体底部排布形式。
图5为本发明中加热器的立体图。
图6为本发明中加热器的纵向剖视图。
图7为本发明中加热器的俯视图。
具体实施方式
请参阅图5至图7所示，本发明公开一种蓝宝石单晶炉底部加热器的实施例，该加热器包括发热体1、两个电极2。在本实施方式中所述发热体1为石墨材质，电极2同样为石墨材质，高温强度好。在其他实施方式中，也可以采用同样高温强度好的现有材料替换，在此不再赘述。所述发热体1为带状结构，且发热体包含外层段11、自外层段弯折处12向内弯折的中层段13、自中层段弯折处14向内弯折的内层段15。其中，在本实施方式中需要使外层段11的电阻大于中层段13的电阻，及中层段13的电阻大于内层段15的电阻，而采用的方式为，所述外层段11的长度大于中层段13的长度。中层段13的长度大于内层段15的长度；同时外层段11的横截面积小于中层段13的横截面积、中层段13的的横截面积小于内层段15的横截面积。在相同材质下即可知每一段加热器部分的电阻自外向内逐渐减小，在加热器通电的电流恒定情况下，电阻越大发热量越高，则可知发热体能量密度由外向内逐渐减小，发热体由外向内的发热量逐层降低，梯度更符合单晶炉中的晶体生长需要，发热体发热稳定性好。进一步的，为了保持每一层(外层段11、中层段13、内层段15)弯折处由于过渡原因造成的加热性能降低，本实施例中增加了弯折处的电阻阻值，具体方式为，所述外层段弯折处12的横截面积小于外层段11的横截面积；所述中层段弯折处14的横截面积小于中层段13的横截面积，使弯折处的发热量提高形成热量补偿，从而保证整体发热均匀。
而为了进一步提高发热体整体的发热稳定性以及与单晶炉内坩埚的适配性，对于发热体的进一步结构设计为，发热体1的整体形成圆形，并且，所述外层段11分为两个对称的半圆形外段111，且半圆形外段111的两端为向内弯折的外层段弯折处13。所述中层段13包括四个弧形段131，且弧形段131自外层段弯折处13沿着半圆形外段111的内侧向半圆形外段111中间位置延伸。每个半圆形外段111的两端分别向内各自延伸出弧形段131，且该自同一个半圆形外段111两端延伸出的两个弧形段131相向延伸。每个弧形段131延伸的末端为中层段弯折处14。所述内层段15包括两个对称的半圆形内段151，且每个半圆形内段151的两端与两个中层段13弯折处连接。故而，发热体1在整体呈圆形的基础上层层向内延伸。所述发热体1的为首尾相接的带状结构，发热体长度远大于现有技术中坩埚底部加热的结构，使得发热体1的发热更加均匀稳定且符合坩埚的底部结构。
并且，所述两个半圆形外段111为轴对称，所述两个半圆形内段151同样为轴对称，且两个半圆形外段111的对称轴与两个半圆形内段151的对称轴垂直。这样的设计使发热体1整体结构形成对称结构，对坩埚的加热更加均衡。
其中，该加热器中，其中一个石墨电极2为输入端，另一个石墨电极2为输出端，所述的两个石墨电极2与发热体1连接后通直流电或单相交流电。通直流电或单相交流电以使得通过加热器的电流值恒定。所述每个石墨电极2对应连接一个半圆形外段111，所述石墨电极2连接在半圆形外段111的中央处并自该半圆形外段111向下延伸。发热体1与石墨电极2之间设有柔性垫片4，通过螺栓3将石墨电极2与发热体1紧固连接；所述的发热体1、石墨电极2、螺栓3的材质均为高强度等静压石墨；所述的柔性垫片4的材质为石墨纸。所述的石墨、石墨纸均须经高温纯化处理，纯度要求为5ppm。
而本发明中还提供一种单晶炉的实施例，该单晶炉包含上述的蓝宝石单晶炉底部加热器。

Claims (10)

1.一种蓝宝石单晶炉底部加热器，包括发热体，其特征在于，所述发热体为带状结构，且发热体包含外层段、自外层段弯折处向内弯折的中层段、自中层段弯折处向内弯折的内层段；所述外层段的长度大于中层段的长度；中层段的长度大于内层段的长度；所述外层段的横截面积小于中层段的横截面积、中层段的的横截面积小于内层段的横截面积。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：所述外层段弯折处的横截面积小于外层段的横截面积；所述中层段弯折处的横截面积小于中层段的横截面积。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：所述外层段分为两个对称的半圆形外段，且半圆形外段的两端为向内弯折的外层段弯折处，所述中层段包括四个弧形段，且弧形段自外层段弯折处沿着半圆形外段的内侧向半圆形外段中间位置延伸；每个半圆形外段的两端分别向内各自延伸出弧形段，且该自同一个半圆形外段两端延伸出的两个弧形段相向延伸；每个弧形段延伸的末端为中层段弯折处；所述内层段包括两个对称的半圆形内段，且每个半圆形内段的两端与两个中层段弯折处连接。
4.根据权利要求3所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：所述两个半圆形外段为轴对称，所述两个半圆形内段同样为轴对称，且两个半圆形外段的对称轴与两个半圆形内段的对称轴垂直。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：所述发热体为石墨材质。
6.根据权利要求5所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：所述发热体的为首尾相接的带状结构。
7.根据权利要求3或4所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：还包括与发热体连接的两个石墨电极，其中一个石墨电极为输入端，另一个石墨电极为输出端，所述的两个石墨电极与发热体连接后通直流电或单相交流电。
8.根据权利要求7所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：所述每个石墨电极对应连接一个半圆形外段，所述石墨电极连接在半圆形外段的中央处并自该半圆形外段向下延伸。
9.根据权利要求7所述的蓝宝石单晶炉底部加热器，其特征在于：发热体与石墨电极之间设有柔性垫片，通过螺栓将石墨电极与发热体紧固连接；所述的发热体、石墨电极、螺栓的材质均为高强度等静压石墨；所述的柔性垫片的材质为石墨纸
10.一种单晶炉，其特征在于，包含根据权利要求1至9中任一项所述的蓝宝石单晶炉底部加热器。
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